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title: Java内存区域与内存溢出异常
description: 从 class 文件到内存中的类，按先后顺序需要经过加载、链接以及初始化三大步骤。
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##  运行时数据区
Java 虚拟机在执行 Java 程序的过程中会把它管理的内存划分为若干个不同的数据区域。这些区域有各自的用途，以及创建和销毁时间，有的区域随着虚拟机进程的启动而一直存在，有些区域则是随着用户线程的启动和结束进行创建和销毁。

Java 虚拟机所管理的内存将会包括以下几个运行时区域：

![image-20230326003841976](https://img.wkq.pub/pic/image-20230326003841976.png)

### 程序计数器

Program Counter Register 是一块较小的内存空间，它可以看作是当前线程所执行的字节码的行号指示器。



字节码解释器工作时就是通过改变这个计数器的值来选取下一条需要执行的字节码指令，分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等基础功能都需要依赖这个计数器来完成。



每条线程都有一个独立的程序计数器，各条线程之间互不影响，独立存储。是线程私有的内存。



如果线程正在执行的是一个 Java 方法，这个计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令的地址；如果正在执行的是一个 Native（本地） 方法，这个计数器值为空。此内存区域是 Java 中唯一一个没有 OOM 错误 的内存区域。



### 虚拟机栈

Java 虚拟机栈也是线程私有的，它的生命周期和线程相同。

虚拟机栈描述的是Java 方法执行的线程内存模型：每个方法被执行的时候，Java 虚拟机都会同步创建一个栈帧用于存储局部变量表，操作数栈、动态链接和方法出口等信息。每一个方法被调用直至执行完成的过程，就对应着一个栈帧从虚拟机栈入栈到出栈的过程。

局部变量表中存放了编译器可知的各种 Java 虚拟机基本数据类型、对象引用 和 returnAddress 类型。

这些数据类型在局部变量表中的存储空间以局部变量槽（Slot）来表示，其中 64 位长度的 long  和 double 类型的数据会占用两个变量槽，其余的数据类型只占用一个。局部变量表所占用的空间在编译期间完成分配，当进入一个方法时，这个方法需要在栈帧中分配多大的局部变量空间是完全确定的，在方法运行期间并不会改变局部变量表的大小。

:::tip
这里不会改变的大小是槽的数量，但槽有多大是虚拟机自行决定的。
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这个区域存在两类异常情况：如果线程请求的栈深度大于虚拟机栈所允许的深度，将抛出 StackOverflowError 异常；如果 Java 虚拟机栈可以动态扩展，当栈扩展时无法申请到足够的内存就会抛出 OutOfMemoryError 异常。

### 本地方法栈
本地方法栈的作用和虚拟机栈类似，其区别在于虚拟机栈为虚拟机执行 Java 方法，而本地方法栈则是虚拟机为虚拟机使用本地方法服务。

和虚拟机栈一样，本地方法栈也会在栈深度溢出或者栈扩展失败时分别抛出  StackOverflowError 和 OutOfMemoryError 异常。

### Java 堆
Java 堆在虚拟机启动时创建。被所有线程共享，此内存区域是虚拟机所管理内存中最大的一块，用来存放对象实例。

Java 中的几乎所有对象都在这里分配内存。

Java 堆是垃圾收集器管理的内存区域。Java 堆可以处于物理上不连续的内存空间中，但在逻辑上它应该被视为是连续的；Java 堆既可以被实现成是固定大小的，也可以是可扩展的，当前主流的 Java 虚拟机都是按照可扩展来实现的（通过 -Xmx 和 -Xms 设定）。

:::tip

-Xmx 和 -Xms 是 Java 虚拟机 （JVM） 中用于指定堆的最大和初始大小的参数。

-X 是Java虚拟机的启动参数之一。

mx 的全称是 Maximum Heap Size, ms 的 全称是 Initial Heap Size。

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如果在 Java 堆中没有内存完成实例分配，并且堆也无法再扩展时，Java 虚拟机将会抛出 OutOfMemoryError。

### 方法区

方法区（Method Area）和堆一样，是各个线程共享的内存区域，它用于存储被虚拟机加载的类型信息、常量、静态常量、即时编译器编译后的代码缓冲等数据。



到 JDK8 以后，方法区的实现由永久代变成了本地内存实现的元空间。这里内存回收主要是针对常量池的回收和对类型的卸载。

如果方法区无法满足新的内存分配需求时，将会抛出 OOM 错误。

### 运行时常量池

Runtime Constant Pool 是方法区的一部分。Class 文件中除了类的版本、字段、方法、接口等信息，还有一项是常量池表（Constant Pool Table）。用于存放编译器生成的各项字面量和符号引用。这部分内容将会在类加载后存放到方法区的运行时常量中。

除了保存在 Class 文件中描述的符号引用外，还会把由符号引用翻译出来的直接引用也存储在运行时常量池中。

当常量池无法申请内存时就会抛出 OutOfMemoryError





## Hotspot虚拟机对象揭秘
深入探讨 Hotspot 虚拟机在 Java 堆中对象分配、布局和访问的全过程
### 对象的创建
当虚拟机执行到一条字节码 new 指令时，首先将去检查这个指令的参数是否能在常量池中定位到一个类的符号引用，并且检查这个符号引用代表的类是否已经被加载、解析和初始化过。如果没有，则执行相应的类加载过程。

在类加载检查通过后，接下来虚拟机将为新生对象分配内存。对象所需的内存大小在类加载完成后便可完全确定，为对象分配空间的任务实际上便等同于把一块确定大小的内存块从 Java 堆中划分出来。

由于堆是所有线程共享的，所以虚拟机还得考虑并发创建对象时的线程安全问题，解决这个问题有两种可选方案：一是对分配内存空间的动作进行同步处理————实际上虚拟机采用的是 CAS 配上失败重试的方式保证更新操作的原子性；另外一种是把内存分配的动作划分在不同的空间之中进行。

内存分配完成之后，虚拟机还必须将分配到的内存空间（但不包括对象头）都初始化为零值，如果使用量 TLAB 的话。这些操作确保了对象的实例字段在 Java 代码中可以不赋予初始值就直接使用，使程序能够访问到这些字段的数据类型所对应的零值。

接下来，Java 虚拟机需要对对象进行必要的设置，例如这个对象是那个类的实例，如何才能找到类的元数据信息、对象的哈希码,对象的 GC 分代年龄等信息。这些信息存放在对象的对象头（Object Header） 之中。

上述工作完成之后，对于虚拟机来说，一个对象已经创建成功了；但是对于 Java 程序来说，对象的创建才刚刚开始————构造函数，即 Class 文件中的 `<init>()` 方法还没有执行，所有的字段都默认为零值，对象需要的其它资源和状态信息还没有按照预先的意图构造好。

new 指令之后会接着执行 `<init>()` 方法，按照程序员的意愿对对象进行初始化，这样一个真正可用的对象才算完全构造出来。

最后，将对象的引用入栈，继续执行下一条指令。

### 对象的内存布局
在 Hotspot 虚拟机中，对象在堆中的存储布局可以划分为三个部分：对象头（Object Header）、实例数据（Instance Data）和对齐填充（Padding）。


Hotspot 虚拟机对象的对象头部包括两类信息。第一类是用于存储对象自身运行时数据，如 哈希码（HashCode） 、GC分代年龄、锁状态标志、线程持有的锁，偏向线程 ID，偏向时间戳等。

对象头的另一部分是类型指针，即对象指向它的类型元数据的指针，通过这个指针来确定对象是哪个类的实例。如果对象是 Java 数组，那在对象头中还必须有一块用于记录数组长度的数据。因为虚拟机可以通过普通对象的元信息确定 Java 对象的大小，但是如果数组长度是不确定的，将无法通过元数据中的信息推断出数组的大小。

实例字段部分是对象真正存储有效信息的地方，即我们在程序里所定义的各种类型的字段内容，无论是从父类继承下来的，还是在子类中定义的字段都必须保存起来。

### 对象的访问定位
Java 程序会通过栈上的 reference 来操作堆上的具体对象，堆中对象也可以包含其它对象的引用作为其属性。通过对象的引用可以操作这些属性引用的对象。

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